【導讀】意法半導體最先進的40V功率MOSFET可以完全滿足EPS (電動助力轉向系統(tǒng))和EPB (電子駐車制動系統(tǒng)) 等汽車安全系統(tǒng)的機械、環(huán)境和電氣要求。 這些機電系統(tǒng)必須符合汽車AEC Q101規(guī)范，具體而言，低壓MOSFET必須耐受高溫和高尖峰電流。
1. 前言
EPS和EPB系統(tǒng)均由兩個主要部件組成：電動伺服單元和機械齒輪單元。電動伺服單元將電機的旋轉運動傳給機械齒輪單元，進行扭矩放大，執(zhí)行機械動作。電動伺服單元是用功率MOSFET實現(xiàn)的兩相或三相逆變器，如圖1所示。
圖1. EPS和EPB系統(tǒng)的伺服單元拓撲
圖中負載是一臺電機，通常是永磁無刷直流電機(BLDC)，由一個12V電池進行供電。
2. 汽車對功率MOSFET的要求
EPS和EPB逆變器所用的40V功率MOSFET，要想符合AEC Q101汽車認證標準，必須滿足以下所有要求：
1.開關損耗和導通損耗非常低
2.輸出電流大
3. Ciss/Crss比值小，EMI抗擾性強
4.優(yōu)異的耐雪崩性能
5.出色的過流和短路保護
6.熱管理和散熱效率高
7.采用穩(wěn)定的SMD封裝
8.抗負載突降和ESD能力優(yōu)異
2.1. AEC Q101功率MOSFET的參數(shù)測量值
我們選擇一些符合EPS和EPB系統(tǒng)要求的競品，與意法半導體的40V汽車功率MOSFET進行對比實驗。表1列出了意法半導體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級競品的主要參數(shù)測量值。
表1. STL285N4F7AG與競品參數(shù)測量值比較表
由于兩個安全系統(tǒng)的工作電壓都是在12V-13.5V區(qū)間，功率MOSFET的標稱電壓是40V，因此，只要確保擊穿電壓(BVdss)接近46V，就能正確地抑制在開關操作過程中因寄生電感而產(chǎn)生的過壓。為抑制導通期間的壓差，靜態(tài)導通電阻(RDSon)最好低于1mΩ。只有本征電容和Rg都很小，開關損耗才能降至最低，從而實現(xiàn)快速的開關操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數(shù)，有助于防止米勒效應導致的任何異常導通，并可以更好地控制di/dt和dV/dt速率，配合體-漏二極管Qrr反向恢復電荷和反向恢復軟度，可顯著降低器件對EMI的敏感度。
為滿足低耗散功率和電磁干擾的要求，STL285N4F7AG優(yōu)化了電容比值(Crss/Ciss)。圖2是STL285N4F7AG與競品的電容比值比較圖。
圖2. STL285N4F7AG與競品的Crss/Ciss電容比測量值比較
此外，圖3所示是意法半導體的STL285N4F7AG的體-漏二極管與競品的性能測量值比較圖。
圖3：STL285N4F7AG與競品的體-漏二極管性能測量值比較
測量參數(shù)表明，對于一個固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復電荷(Qrr)和恢復時間(Trr)都小于競品，這個特性的好處歸納如下：
-低Qrr可降低逆變器在開啟時的動態(tài)損耗，并優(yōu)化功率級的EMI特性;
-更好的Trr可改善二極管恢復電壓上升速率(dv/dt)的動態(tài)峰值。在續(xù)流期間電流流過體 漏二極管時，Trr是導致電橋故障的常見主要原因。
因此，dv/dt是保證閂鎖效應耐受能力的重要參數(shù)，測量結果顯示，意法半導體產(chǎn)品的dv/dt性能(圖4)優(yōu)于競品(圖5)。
圖4. STL285N4F7AG的dv/dt t測量值
圖5. 競品的dv/dt測量值
2.2. 短路實驗性能測試
我們通過一個短路實驗來測量、驗證意法半導體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應用中的穩(wěn)定性。電子系統(tǒng)可能因各種原因而發(fā)生短路，例如，存在濕氣、缺乏絕緣保護、電氣部件意外接觸和電壓過高。因為短路通常是意外造成的，所以短路很少是永久的，一般持續(xù)幾微秒。在短路期間，整個系統(tǒng)，特別是功率級必須承受多個高電流事件。我們用STL285N4F7AG和測試板做了一個短路實驗，測量結果如圖6所示：
圖6：測試板
按照以下步驟完成實驗：
1）用曲線測量儀預先測試主要電氣參數(shù);
2）測試板加熱至135°C，并施加兩次10μs的短路脈沖，間隔小于1s。限流器保護功能激活做一次實驗，不激活做一次實驗。
3）對器件進行去焊處理，并再次測量主要電氣參數(shù)，檢查功率MOSFET的完整性或性能衰減。
測量結果如圖7所示。
圖7：STL285N4F7AG短路測試
在短路事件過程中測量到的實際電流值是在2000A范圍內(nèi)，脈沖持續(xù)時間為10μs。我們進行了十次測試，Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受住短路沖擊，未發(fā)生任何故障；但當電流值大于2400A時，出現(xiàn)故障（圖8）。
圖8. STL285N4F7AG失效時的電流測量值(Id > 2400A)
3. 結論
實驗數(shù)據(jù)表明，意法半導體最先進的AEC-Q101 40V功率MOSFET可輕松符合汽車安全系統(tǒng)的嚴格要求。因此，意法半導體的新溝槽N溝道器件是汽車EPS和EPB系統(tǒng)的最佳選擇。
4. 參考文獻
[1] F. Frisina " Dispositivi di Potenza a semiconduttore". Edizione DEL FARO Prima Edizione Giugno 2013
[2] B. Jayant Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Science, 2008
[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: "Power Electronics Converters, Applications and Design" 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995
[4] B. Murari, F. Berrotti, G.A. Vignola " Smart Power ICs: Technologies and Applications" 2nd Edition
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